城市化地区防洪排涝规划研究

吴 春

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 200092）

1 存在问题

1.1 排涝设施不完善

新中国建设初期，城市排水多采用苏联的设计理念和技术标准。当前，北京市排水设计标准仍为1～3 a一遇，排水系统线路老化，元器件破损严重，由此造成每到暴雨突袭时，城市许多地段积水成河，交通瘫痪，给市民的工作、生活带来极大影响，甚至危及生命。这暴露出我国城市公共基础设施规划、建设、管理的严重滞后，更暴露出城市“地上工程”与“地下工程”的极大反差。

1.2 骨干排涝河道过流能力不足

由于规划和投资渠道的原因，城市道路建设与河道整治脱节，导致排水设施的规划、建设不到位，没有给雨洪留出合理的出路。城区有部分中小型河道没有规划，有的排水管线下游没有出路，造成了城市排水系统不畅，遇强降雨容易形成局部地区洪涝。部分中小河道多年没有疏挖整治，河道淤积堵塞，排水能力严重不足，河道排泄不畅，降雨时壅水漫溢，致使地区洪水满溢进入城市道路。

1.3 内河调蓄水域面积不足

城市水面面积是调蓄城市内涝的主要手段之一，如故宫数百年来几乎未发生内涝现象，原因之一就在于故宫周围有环故宫可起调蓄作用的护城河；同样，团城千年以来也未发生水淹现象，原因之一就在于其位于具有调蓄功能的北海附近，可以把多余的水排入北海。近年，随着城市建设的快速发展，不少市区河湖由于被侵占而缩窄或淤积，导致蓄泄洪能力降低，甚至在城市发展过程中部分河湖被填埋（新中国成立初期北京市有湖泊200余个，目前仅存50余个），市区水面所占比例由5%降低到2%左右，如北京南湖渠地区，原来本是一片洼地，作为北京市排水主干河道坝河支流之一的北小河，现已变成超过20万人的望京社区。城市水面减少相应地降低了城市内涝的调蓄能力，从而增加了暴雨内涝的发生频率。

1.4 城市化进程使水面率降低、径流系数增大

随着城镇化步伐的加快，城市人口急剧膨胀，导致城市地表大面积水泥化，渗水吸水储水能力均大大减弱，暴雨来临时排水只能依靠少数的排水口。

1.5 极端天气明显增多，局地暴雨频发

由于城市建设改变了局部气候条件，不注意保留绿地和水面，城市成为一个热源，产生了热岛效应，其结果是造成城市上空对流旺盛，强对流天气容易发生，从而增加了城市暴雨出现的概率和强度。近20年来，由于北京城市建设的飞速发展，城市热岛和雨岛效应明显，高楼大厦（跟小型山峰的降雨特性类似）的局部小气候条件容易形成历时短、强度大、范围小的局地突发性暴雨，城区出现局地暴雨的频率与强度远高于周边建筑物低矮地区，降雨强度往往超过70 mm/h极端天气标准，导致城区的极端天气频频发生，产生局部内涝。2004年以来，北京共发生极端天气43次，暴雨来势凶猛，历时短，积水断路等灾情出现快，导致预报非常困难[1]。

2 解决对策

2.1 防洪标准

城市是流域系统中的一个点，往往除受到主要外河洪水的威胁外，还可能面临许多城区小（内）河洪水，特别是山洪的威胁，沿海城市还可能有风暴潮的影响。城市的防洪设施是地区乃至流域防洪体系的组成部分，故城市防洪规划必须以地区乃至流域防洪规划为依托，以城市防洪工程为屏障，从流域、区域与城市3个层次空间定位各自的防洪规划与防洪标准，同时明确其间不可分割的相互关系。现以太湖流域内的城市防洪为例。

2.1.1 流域防洪标准

流域防洪的目标是防御流域性洪水，也就是以太湖洪水的安全蓄泄为重点，安排若干重大治太骨干工程，确定2010年前流域防洪标准为50 a一遇，并逐步向100 a一遇标准过渡。

2.1.2 区域防洪标准

根据自然与水文条件将太湖流域分为8个水利分区，各分区防洪规划的目标为防御地区性局部暴雨洪水。由于各分区除受流域性洪水影响外，还兼受地区性局部暴雨的威胁，因此，需要在流域性骨干工程的基础上补充必要的地区性工程措施，主要包括区域性骨干排水河道的疏浚和好区堤防建设。到2010年，地区防洪能力将分别达到20～50 a一遇。

2.1.3 城市防洪标准

太湖流域城市密集，人口和产业集中，经济发达。在提高流域及区域防洪标准的框架下，根据城市自身的经济实力，采取城市防洪自保措施，提高主要城市的防洪标准。城市防洪标准应根据《城市防洪工程设计规范》（GB/T 50805—2012），根据城市人口规模、等级确定防洪标准，例如上海市黄浦江(城市区段)干流及主要支流按1 000 a一遇高潮位设防，海塘（市区段）按20 a一遇高潮位加12级台风设防。城市防洪标准一般都高于流域与区域的防洪标准。

2.1.4 防山洪标准

位于山区性河道支流低洼区域的城市除抵御外围江河洪水，还需抵御山区性河道的山洪。山区洪水标准应根据《城市防洪工程设计规范》（GB/T 50805—2012），根据城市人口规模、等级确定山洪标准。城市内存在小（内）河山区洪水威胁的城市主要为山区城市，如福建省、浙江省及海南省的沿海城市。

2.2 排涝标准

城市化区域排涝标准一般取10～20 a一遇暴雨不受涝，即发生10～20 a一遇暴雨，河道逐时刻（1 h）水位不超过最高控制水位。

2.3 各类城市防洪排涝对策

2.3.1 滨河城市

这类城市主要指位于大江大河及其重要支流沿岸的城市，外河洪水是主要威胁，洪水涨落相对缓慢，水位涨差不如山区河道大，洪水历时相对较长。这类城市防洪问题一般不能完全独立地自行解决，而必须在流域或水系整体防洪规划的基础上，以流域（水系）防洪工程体系为依托，并根据城市的自然地理特征（地形、地貌、水系分布等）及城市发展情况采取城市自保措施（如修建防洪堤、疏浚河道、开凿分洪道等）加以保护，从而达到要求的防洪标准。这类城市的排涝问题较为突出，由于内河涝水容易受外江洪水位顶托，且顶托时间较长，难以自流排水，故需要建立城镇圩区或者防洪包围圈，控制城市水面率，通过排涝泵站、水闸、骨干排涝河道等工程措施，保障排涝安全[2],如黄河上游干流沿岸的兰州，长江干流沿岸的武汉、南京，淮河干流沿岸的蚌埠，西江沿岸的梧州，松花江沿岸的哈尔滨，嫩江沿岸的齐齐哈尔，琶江沿岸的南宁等。

2.3.2 山区城市

这类城市主要指位于山地丘陵的城市。这类城市多建在沿河阶地、坡地或山丘坪地上，面临江河，后靠山丘，洪水陡涨陡落，水位涨差较大，洪水历时相对较短。除江河洪水威胁外，有的城市还有山洪、泥石流。由于受洪水威胁的主要是沿河部分较低地区，因此堤防不宜过高。除采取堤库结合措施外，还可因地制宜地采取撇洪渠、疏浚河道等措施。这类城市的内河排涝问题一般相对较小，对于地势相对低洼的区域建议城镇圩区，控制城市水面率，通过排涝泵站和水闸控制内河最高水位，满足市政雨水可自排入河，或者通过市政排水系统直接将雨水排往外河。

山丘城市因城区位置的垂直跨度较大，因而受洪水威胁的程度不同。有的城市主城区位于较高阶地，受洪水威胁的仅是沿河谷地一带非主要经济区，即山丘（1）类城市；有的山丘城市其主城区受到洪水威胁，即山丘（2）类城市。山丘城市如四川广元、陕西延安、湖北十堰、广西桂林、湖南郴州等。

2.3.3 平原城市

这类城市距离大江大河及其重要支流、海岸线较远，且地面高程低于江河洪水位以下，水位变幅较小，地势平坦(包括盆地)、低洼，洪涝威胁严重，有的还兼受湖泊洪水的影响。平原城市因其独特的自然环境，地区的防洪能力很难整体提高，因此，城市必须建设自成系统的自保防洪设施，如封闭式圈堤等。平原城市的水环境十分复杂，有的城市位于平川上或水网中，即平原（1）类城市；有的城市靠近天然湖泊，特别是滨湖的平原城市，不仅受到平原一般性洪涝灾害的影响，而且受到湖泊洪水的威胁，即平原（2）类城市。这类城市的排涝问题较为突出，由于内河涝水容易受河湖高水位顶托，且顶托时间较长，地面标高较低，内部河道难以自流排水，故需要建立城镇圩区或者防洪包围圈，控制城市水面率，通过排涝泵站、水闸、骨干排涝河道等工程措施，保障排涝安全。

平原城市如四川成都、浙江嘉兴、江苏无锡、苏州、常州、河北唐山、河南南阳、安徽宿州、吉林长春等。

2.3.4 沿海城市

这类城市主要指位于滨海感潮地区的城市，不仅受外河洪水的威胁，还受风暴潮影响。除江河堤防外，海堤(海塘)也是很重要的城市防洪设施，设防标准除洪水标准外，还有潮位标准。这类城市的排涝与年平均高潮位和多年平均高潮位息息相关，年平均高潮位越高排涝问题越突出，如上海年平均高潮位约为4.05 m，地面标高4～5 m，因此，地面排水受潮位影响较大，需通过堤防建立防洪包围圈或者相对独立的水利片区，控制河网水域面积，通过排涝泵站和水闸等工程措施，从而达到要求的排涝标准。

沿海城市如辽宁营口、山东日照、上海市、广东广州、浙江温州、海南海口等。

2.4 城市建设与防洪排涝关系

城市防洪规划是江河防洪规划的一部分，也是城建规划的组成部分，但在流域防洪规划中有时对城市的发展考虑得不够，有的城市总体规划及控详规则漠视城市防洪规划，城市防洪除涝规划又往往滞后于城建规划，流域防洪规划也未能充分考虑城市化发展对防洪的影响。城市总体规划及控详规有时在编制完成后才发现城市处在洪水风险中，防洪除涝设施与城市开发建设用地在安排上产生不少矛盾，因此，城市防洪排涝规划应当处理好与流域防洪规划、城市排水规划和城市总体规划间的关系，城市总体规划及控制性详细规划编制之前应编制好城市防洪排涝专项规划，提前控制河道蓝线、水面率及水利工程用地规模，指导城市控详规用地规划[3]。

3 案例分析

3.1 区域概况

漳州台商投资区地处漳州市东部，厦门市西部，南面为九龙江北港，东接厦门市海沧区，西连漳州市龙文区，北隔天成山与长泰县接壤，南依九龙江下游的北港与紫泥镇隔水相望，是连结漳州、厦门两市的重要区域。区域总面积163.7 km2，常住人口22万人，现状水域面积2.62 km2，水面率1.6%。

3.2 防洪排涝标准

3.2.1 防洪标准

根据《防洪标准》和《城市防洪工程设计规范》（GB/T 50805—2012）规定，区域规划人口规模未超过50万，属于比较重要的III等城市（中等城市），区域内部防山区洪水标准近期抵御10 a一遇，远期提高至20 a一遇。防九龙江北溪洪水标准与九龙江流域标准统一采用100 a一遇，河口海堤防潮标准采用100年一遇。

3.2.2 排涝标准

按照国家标准《城市防洪工程设计规范》（GB/T 50805—2012）及《福建省城市排水排涝设计暂行规定》（闽水电（1997）水926号）规定，区域排涝标准为10 a一遇暴雨不受涝，逐时刻（1 h）内河水位不超过最高控制水位。

3.3 防洪排涝工程措施

规划在充分利用现状水利工程的基础上，结合项目区总体规划、控详规采用“滞、疏、蓄、排、抽”等综合治理措施。“滞”：在项目区上游设置苍坂溪滞洪区、埔头溪滞洪区、龙屿港滞洪区以缓解山区洪峰流量。“蓄”：在下游设置江东临时滞涝区、东美南门滞涝区、玉江滞涝区、流传滞涝区、杨厝滞涝区、壶屿港滞涝区及白礁滞涝区以增加河网排涝调蓄容量。“疏”：疏浚及整治排洪港、社头港、低干渠、凤山渠、曾溪、社内渠、玉江渠、东美南门渠、林美渠。“排”：改扩建白礁水闸、壶屿港水闸、石美水闸、凤山水闸、杨厝水闸、殿后水闸、社内水闸、玉江水闸、东美南门水闸、沃头水闸。“抽”：新建壶屿港排涝泵站、杨厝排涝泵站及沃头排涝泵站。规划河道总长度45.6 km，滞洪区面积37.3 hm2，滞涝区面积150.7 hm2，水面率由现状的1.6%提高至2.0%，排涝泵站3座总流量190 m3/s，排涝水闸10座总净宽121 m。

3.4 河网排涝计算模型

3.4.1 设计暴雨计算

项目区内没有设立水文站，无实测流量资料，仅设有角美雨量站，可收集到实测降雨资料。角美雨量站有1973年～2011年的连续实测资料，1988年停测。角美站实测降雨资料记录时段未统一，难以统计到逐年最大1 h、3 h、6 h降雨量。流域邻近石码站、漳州站，有45 a以上连续观测资料。经过频率计算得到暴雨参数，详见表1。

3.4.2 产汇流计算

（1）山丘区

项目区上游非城市化区域产流计算采用初损后损法计算，汇流计算采用推理公式法和瞬时单位线法进行计算，计算参数根据《福建省暴雨查算手册》查选。

表1 暴雨频率计算成果

（2）城市化平原区域

城市化区域雨水通过地面漫流进入雨水收集系统，再由管渠输送进入排水河道，雨水排水系统流量过程采用推理公式法推求。综合径流系数在0.65～0.9之间选取，降雨历时根据雨水系统服务面积大小、管道长度、坡度的变化在30～80 min之间选取。

3.4.3 河网水力计算

3.4.3.1 基本方程

描述水流在明渠中运动的一维非恒定流基本方程是基于圣维南方程组，包括连续方程和动力方程。连续方程基于水量平衡原理，用于水量总体控制；动量方程原理为，作用于控制体的外力冲量与通过控制体表面的进出流体的净动量的矢量和等于这一体积内的动量增量，用于描述水流的运动特性。

3.4.3.2 河网概化

河网概化包括河道及控制建筑物概化。河网概化遵循突出骨干河道，保留需重点研究的非骨干河道，并使概化后的河网调蓄库容与实际保持一致，概化河道断面过流能力、控制建筑物规模及调度情况与实际相一致的原则。本次计算涉及项目区内69条河道，总长度89.3 km，水工建筑物有沿江水闸、各河道上的桥梁、箱涵及沿江泵站，河道断面布置接近1 500个，断面间距50～300 m，最大不超过500 m，共有计算水位计算节点1 624个、流量计算节点1 496个。河道概化见图1。

3.4.3.3 边界条件和相关参数

（1）边界条件

水利计算模型在选取边界条件时充分考虑了平原洪水和山区洪水的错时问题、涝水汇入问题及设计洪水与外海潮位的组合等情况，根据水文提供的成果资料，边界条件的确定如下：

a.上边界——河道上游边界条件为项目区各汇流分区汇入河网的流量过程，山区流量边界数量有14个，城市化平原区域流量边界有25个。

图1 河网概化图

b.下边界——采用九龙江北港的24 h潮位过程线作为下边界。

（2）相关计算参数

河道断面资料采用规划设计蓝线控制口宽及相应断面型式，河道初始水位为预降水位1.5 m，糙率在0.013～0.03之间选取。

3.5 计算成果分析

经过河网水力计算表明，项目区涝水量1 800万m3，泵站排涝历时6 h，泵站排涝水量410万m3，水闸排涝历时28 h，水闸排涝水量1 390万m3，内河启调水位1.5 m，下游平原区域规划地面标高5.0～6.0 m，相应最高水位可以控制在4.0～5.0 m之间，可以满足20 a一遇排涝标准。

4 结论

城市化地区防洪排涝规划应充分考虑现状水系分布情况，与流域规划、城市防洪规划及总体规划等上位规划充分衔接，确定防洪排涝标准，根据项目区特点提出可行的防洪排涝规划方案，根据路网规划、竖向规划及雨水排水规划等专项规划情况，科学合理地确定规划河道规模、平面布置、蓝线及陆域控制线，确定规划水面率、河道常水位、预降水位及最高控制水位，进行水文分析计算，复核计算各防洪排涝规划方案的计算成果，通过方案比较确定防洪排涝工程措施，确定工程规模，并注重非工程措施规划。

[1]杨秀静，谭聪睿．北京“7·21”暴雨引发的城市防洪排涝建设思考[J].海河水利，2013（1）：41-42.

[2]李原园，李琪，李蝶娟，等．城市防洪减灾对策的研究[J]．水利规划与设计，2003（4）：1-4．

[3]李月明，郑雄伟．浙江省城市防洪排涝问题与对策[J]．水利规划与设计，2012（3）：1-3.